海绵路面及其制备方法与流程

本发明涉及公路建设技术领域，更具体地涉及一种海绵路面及其制备方法。

背景技术：

随着社会经济发展和人民生活水平的提高，汽车保有量逐年增长，大量地表逐渐被建筑物和混凝土路面覆盖。而汽车保有量的增长也带来大量的汽车尾气排放，其中汽车尾气中含有大量的有害有机挥发物(voc)、nox，这些有害气体给城市居民、道路使用者、运管维护人员，以及道路沿线的动植物带来较大的危害，造成交通生态环境的破坏，直接影响人群健康和生存环境质量。

地表大量被建筑物和混凝土路面覆盖，这虽然使人们出行变得更为方便，但与此同时，不透水的混凝土路面使得生态系统平衡正遭受巨大威胁。例如，近年来，全国很多城市出现城市内涝现象，出现“来看海”的呐喊。由于城市中普遍的混凝土路面没有透水和透气效果，这也使雨水不能及时渗透到地底下，导致地表植物因缺乏水资源而无法存活，地下水位却逐年下降；不透气的普通混凝土路面不能及时调节城市地表温、湿度，也会形成所谓的“热岛现象”。

针对汽车排放尾气对环境的影响以及传统混凝土路面存在的问题，目前国内外有多家研究单位在研究可降解汽车尾气的透水性混凝土，然而目前该功能性透水混凝土还普遍存在两方面的问题：(1)混凝土表面光催化剂催化效率和长效性较差；(2)透水性混凝土强度不足或透水性较差。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种海绵路面及其制备方法，以解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种海绵路面的制备方法，包括以下步骤：

步骤s1，制备透水性混凝土基底层；

步骤s2，在所述透水性混凝土基底层上制备一高孔隙率钛水泥层，其制备方法为：

向钛盐水溶液中添加磷酸盐和分散剂，然后加入硅酸盐水泥并搅拌，待形成浆液后再加入发泡剂和稳泡剂，然后充分搅拌，在所述透水性混凝土基底层上形成所述高孔隙率钛水泥层；其中，各原料的质量分数为：硅酸盐水泥15.13％-37.93％，水15.35％-37.93％，钛盐10.97％-27.85％，分散剂2.13％-4.47％，磷酸盐10.97％-27.85％，发泡剂2.23％-4.47％，稳泡剂1.15％-4.47％；

步骤s3，在所述高孔隙率钛水泥层上喷涂形成二氧化钛的光催化剂喷涂层。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种采用如上所述的制备方法制备得到的海绵路面。

基于上述技术方案可知，本发明的海绵路面及其制备方法具有如下有益效果：

(1)克服了透水性混凝土力学性能差的缺点，可在小区路面、城市市政路面、广场地面等路面上使用；

(2)克服了现有光催化剂催化降解汽车尾气voc、nox效率低、持久时间短等缺点；

(3)高强度透水性混凝土基础层采用原位复合反应的方法将纤维与硅酸盐-钙盐-二氧化钛复合物质有机结合形成力学网络，相比直接添加纤维和纳米二氧化硅和二氧化钛，能更有利于提高透水性混凝土的力学强度；

(4)在喷涂光催化剂之前增加一层高孔隙率钛水泥层，提高了喷涂表面的比表面积，相应增加了光催化剂喷涂的保有量和深度，相比现有技术的简单喷涂，该方法明显提高光催化剂催化效果的长效性；同时高孔隙率钛水泥具有较高透水性和较强的力学性能，避免了喷涂层对透水混凝土透水性和力学性能的削弱；

(5)使路面具有分解和降低城市大气中有害化学物质、雨水资源回收等多种功能。

附图说明

图1是本发明的海绵路面的结构示意图；

图2是本发明的海绵路面的制备方法的流程图。

上图中，1为光催化剂喷涂层，2为高孔隙率钛水泥层，3为透水性混凝土基础层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明中的海绵路面指的是采用光催化降解汽车尾气的多孔道透水水泥混凝土路面，例如小区路面、城镇道路路面等。本发明期望提供一种在可见光下具有高效、长期稳定的光催化分解汽车尾气，且具有高强度、强透水性的路面或地面建筑材料，以及它们的制备方法。

具体地，本发明的海绵路面的制备方法包括以下步骤：

步骤s1，制备透水性混凝土基底层；该透水性混凝土基底层可以采用常规工艺将硅酸盐水泥与砂石骨料等形成牢固的透水性基底层，也可以采用本发明的方法进一步改进以增加结构强度。

作为优选，步骤s1中的透水性混凝土基底层通过如下方法制备：

先将粒径为4-15mm的骨料和强度等级为42.5的硅酸盐水泥及6-20mm长的纤维搅拌，在搅拌过程中加入部分水和减水剂；

然后加入硅酸盐-钛盐浆液，再次充分搅拌，形成所述透水性混凝土基底层；

其中，所述硅酸盐-钛盐浆液的制备方法为：

以硝酸钛或硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成；

其中，所述透水性混凝土基底层各原料的质量分数为：硅酸盐水泥10.47％-26.29％，骨料70.32％-80.36％，减水剂1.03％-2.71％，水5.16％-6.70％，硅酸盐0.25％-1.25％，硝酸钛或硫酸钛0.25％-1.25％，分散剂0.05％，纤维0.15％-1.85％。

其中，步骤s1中骨料为玄武岩碎石、花岗岩碎石或硅石碎石，纤维为玻璃纤维或竹纤维；

得到的透水性混凝土基底层的透水率优选为2.73-4.5mm/s，28天养护后的抗压强度优选为28.3-45.5mpa。

步骤s2，在所述透水性混凝土基底层上制备一高孔隙率钛水泥层，其制备方法为：

向钛盐水溶液中添加磷酸盐和分散剂，然后加入硅酸盐水泥并搅拌，待形成浆液后再加入发泡剂和稳泡剂，然后充分搅拌，在所述透水性混凝土基底层上形成所述高孔隙率钛水泥层；其中，各原料的质量分数为：硅酸盐水泥15.13％-37.93％，水15.35％-37.93％，钛盐10.97％-27.85％，分散剂2.13％-4.47％，磷酸盐10.97％-27.85％，发泡剂2.23％-4.47％，稳泡剂1.15％-4.47％。

其中，步骤s2中高孔隙率钛水泥层的厚度优选为2-5mm。

其中，步骤s2中钛盐优选为硝酸钛或硫酸钛，磷酸盐优选为焦磷酸钠或多聚磷酸钠，分散剂优选为六偏磷酸钠，发泡剂优选为过氧化氢发泡剂，稳泡剂优选为羧甲基纤维素钠稳泡剂。

其中，步骤s2中所述高孔隙率钛水泥层的孔隙率为30.8％-75.6％，比表面积为230-450m²/g。

步骤s3，在该高孔隙率钛水泥层上喷涂形成二氧化钛的光催化剂喷涂层。该二氧化钛的光催化剂可以采用公知的锐钛矿光催化剂，也可以采用本发明进一步改进的光催化剂。

其中，步骤s3中光催化剂喷涂层中二氧化钛的用量优选为5-50g/m²，既保证了光催化剂活性，又避免了浪费。

进一步优选地，步骤s3中所述光催化剂喷涂层中采用的光催化剂为掺杂铈离子的锐钛矿型纳米二氧化钛，或者掺杂钒离子的锐钛矿纳米二氧化钛。该光催化剂喷涂层的制备方法优选为：

以减水剂作为分散剂，将二氧化钛光催化剂加水制备成质量浓度为1.6-16g/l的二氧化钛分散液，然后以喷涂的方式将所述二氧化钛分散液喷涂于步骤s2形成的所述高孔隙率钛水泥层的表面。

本发明还公开了一种通过上述制备方法制备得到的海绵路面，可以应用于小区路面、城市市政路面或广场地面等。

在一个优选实施方式中，本发明的海绵路面的制备方法包括以下步骤：

第一步，制备高强度透水性混凝土基础层

先将粒径为4-15mm的玄武岩碎石骨料和硅酸盐水泥以及6-20mm长的玻璃纤维搅拌，在搅拌胶凝材料和骨料的过程中加入部分水和例如hg-fdn型减水剂(购自佛山华轩公司的羧酸减水剂)的减水剂进行预搅拌。然后加入硅酸盐-钛盐浆液，再次充分搅拌，形成高强度透水性混凝土基础层物料。

其中硅酸盐-钛盐浆液的制备方法为：以硝酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成。

硅酸盐-钛盐浆液为酸性液体，在与硅酸盐水泥搅拌过程中发生中和反应及原位复合反应，形成硅酸盐-钙盐-二氧化钛复合物质，强化了玻璃纤维与水泥胶凝材料的融合，因此强化了材料的力学性能。

该高强度透水性混凝土基础层各项原料的质量分数为：硅酸盐水泥10.47％-16.29％，玄武岩碎石70.32％-80.36％，减水剂1.03％-2.71％，水5.16％-6.70％，硅酸盐0.25％-1.25％，钛盐0.25％-1.25％，分散剂0.05％，玻璃纤维0.15％-1.85％。

第二步，制备高孔隙率钛水泥层

在高强度透水性混凝土基础层上浇筑一层2-5mm厚的高孔隙率钛水泥层。其制备方法为：向钛盐水溶液中添加磷酸盐和分散剂，然后缓慢加入硅酸盐水泥并快速搅拌，待形成浆液后再加入过氧化氢发泡剂和羧甲基纤维素钠稳泡剂，然后再充分搅拌，形成高孔隙率钛水泥层。其中优选钛盐为硝酸钛，磷酸盐为焦磷酸钠，分散剂为六偏磷酸钠。通过原位反应和发泡剂的作用，形成磷硅酸-钛复合多孔材料，提高了透水性和比表面积，为喷涂的光催化剂提供了较好的载体。

高孔隙率钛水泥层各项原料的质量分数为：硅酸盐水泥15.13％-37.93％，水15.35％-37.93％，钛盐10.97％-27.85％，分散剂2.13％-4.47％，磷酸盐10.97％-27.85％，过氧化氢发泡剂(双氧水)0.23％-2.47％，羧甲基纤维素钠稳泡剂1.15％-4.47％。

制备的高强度透水性混凝土基础层和高孔隙率钛水泥层通过路面压实和养护，形成高强度、高透水性混凝土层。

第三步，制备光催化剂喷涂层

高强度透水性混凝土基础层和高孔隙率钛水泥层养护完成后，例如以hg-fdn型减水剂作为分散剂，以掺杂铈离子的锐钛矿型纳米二氧化钛(以钛酸丁酯作为二氧化钛前驱体，ce(no3)3为铈盐，将钛酸丁酯和铈盐与无水乙醇混合，并以1∶3硝酸调节ph＝2-2.5，不断搅拌形成溶胶，在60℃干燥后，粉碎后，先300℃煅烧30min，然后升温至500℃煅烧2小时，获得掺杂铈离子的锐钛矿纳米二氧化钛，铈掺杂量为0.5wt％)为光催化剂，制备质量浓度为1.6-16g/l的二氧化钛分散液，然后以喷涂的方式将二氧化钛分散液喷涂于高孔隙率钛水泥层表面，控制分散液的喷量为每平方米3l(即二氧化钛量为5-50g/m²)。

在上述方案中，所选用的原料并不限于所限定的原料，只要满足相应指标即可以采用，作为举例，例如骨料还可以采用4-15mm的花岗岩碎石或4-15mm的硅石碎石；钛盐还可以选用硫酸钛；硅酸盐还可以选用偏硅酸钠；纤维还可以选用竹纤维；磷酸盐还可以选用多聚磷酸钠；光催化剂还可以选用掺杂钒离子的锐钛矿纳米二氧化钛(以钛酸丁酯作为二氧化钛前驱体，偏钒酸铵为钒盐，将钛酸丁酯和钒盐与无水乙醇混合，并以1∶3硝酸调节ph＝2-2.5，不断搅拌形成溶胶，在60℃干燥后，粉碎后，先300℃煅烧30min，然后升温至500℃煅烧2小时，获得掺杂钒离子的锐钛矿纳米二氧化钛，钒掺杂量为1wt％)，减水剂还可以采用其它型号的减水剂，等等。也可以在制备的高孔隙率钛水泥层上直接喷涂光催化剂，然后进行路面压实和养护。

下面通过具体实施例和附图来对本发明的技术方案进行进一步的说明。

实施例1

如图1、2所示，本实施例的海绵路面的制备过程及配方如下：

第一步，制备透水性混凝土基础层3

在室温下，先将玄武岩碎石骨料与强度等级为42.5的硅酸盐水泥以及玻璃纤维搅拌，在搅拌过程中逐渐加入水和hg-fdn型减水剂。然后加入由硅酸钠和硝酸钛组成的硅酸盐-钛盐浆液，再充分搅拌，形成透水性混凝土基础层3。

其中硅酸盐-钛盐浆液制备方法为以硝酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成。

制备透水性混凝土基础层3的各项原料的质量分数为：硅酸盐水泥16.54％，玄武岩碎石73.32％，hg-fdn型减水剂1.45％，水5.70％，硅酸钠0.98％，硝酸钛0.98％，六偏磷酸钠0.05％，玻璃纤维0.98％。

第二步，制备高孔隙率钛水泥层2

在透水性混凝土基础层3上浇筑2mm厚的高孔隙率钛水泥层2。高孔隙率钛水泥层2的制备方法为：向硝酸钛溶液中添加焦磷酸钠和分散剂六偏磷酸钠，然后缓慢加入硅酸盐水泥，并快速搅拌，待形成浆液后加入过氧化氢发泡剂和羧甲基纤维素钠稳泡剂，然后在充分搅拌，形成高孔隙率钛水泥层2(大孔、中孔和介孔交错)。然后通过路面压实和养护将透水性混凝土基础层3和高孔隙率钛水泥层2有机结合，形成高强度、高透水性混凝土层。各项原料质量分数为：硅酸盐水泥28.89％，硝酸钛20.88％，六偏磷酸钠3.83％，焦磷酸钠20.67％，过氧化氢0.23％，羟甲基纤维素钠1.15％，余量为水。

第三步，制备光催化剂喷涂层1

在高孔隙率钛水泥层2上，以hg-fdn型减水剂作为分散剂，以掺杂铈离子的锐钛矿型纳米二氧化钛为光催化剂，制备质量浓度为16g/l的二氧化钛分散液，以喷涂的方式将二氧化钛分散剂喷涂于高孔隙率钛水泥层2表面，控制二氧化钛喷涂量为50g/m²。在喷涂完光催化剂层后，通过路面压实和养护，形成海绵道路。

实施例2

如图1、2所示，本实施例的海绵路面的制备过程及配方如下：

第一步，制备透水性混凝土基础层3

在室温下，先将花岗岩碎石骨料与强度等级为42.5的硅酸盐水泥以及玻璃纤维搅拌，在搅拌过程中逐渐加入水和普通减水剂。然后加入由偏硅酸钠和硫酸钛组成的硅酸盐-钛盐浆液，再充分搅拌，形成透水性混凝土基础层3。

其中硅酸盐-钛盐浆液制备方法为以硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以偏硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成。

制备透水性混凝土基础层3的各项原料的质量分数为：硅酸盐水泥15.47％，花岗岩碎石76.72％，普通减水剂1.25％，水5.70％，偏硅酸钠0.28％，硫酸钛0.28％，六偏磷酸钠0.05％，玻璃纤维0.25％。

第二步，制备高孔隙率钛水泥层2

在透水性混凝土基础层3上浇筑5mm厚的高孔隙率钛水泥层2。高孔隙率钛水泥层2的制备方法为：向硫酸钛溶液中添加多聚磷酸钠和分散剂六偏磷酸钠，然后缓慢加入硅酸盐水泥，并快速搅拌，待形成浆液后加入过氧化氢发泡剂和羧甲基纤维素钠稳泡剂，然后再充分搅拌，形成高孔隙率钛水泥层2(大孔、中孔和介孔交错)，然后通过路面压实和养护将透水性混凝土基础层3和高孔隙率钛水泥层2有机结合，形成高强度、高透水性混凝土层。各项原料的质量分数为：硅酸盐水泥26.89％，硫酸钛18.98％，六偏磷酸钠4.47％，多聚磷酸钠18.93％，过氧化氢2.23％，羟甲基纤维素钠4.15％，余量为水。

第三步，制备光催化剂喷涂层1

在透水性混凝土基础层3和高孔隙率钛水泥层2养护完成后，以hg-fdn型减水剂作为分散剂，以掺杂钒离子的锐钛矿型纳米二氧化钛为光催化剂，制备质量浓度为8g/l的二氧化钛分散液，以喷涂的方式将二氧化钛分散剂喷涂于高孔隙率钛水泥层2表面，控制二氧化钛的喷涂量为25g/m²。

实施例3

如图1、2所示，本实施例的海绵道路的制备过程及配方如下：

第一步，制备透水性混凝土基础层3

在室温下，先将硅石碎石骨料与强度等级为42.5的硅酸盐水泥以及竹纤维搅拌，在搅拌过程中逐渐加入水和普通减水剂。然后加入由硅酸钠和硝酸钛组成的硅酸盐-钛盐浆液，再充分搅拌，形成高强度透水性混凝土基础层原料。

其中硅酸盐-钛盐浆液制备方法为以硝酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成。

制备透水性混凝土基础层3的各项原料的质量分数为：硅酸盐水泥16.15％，硅石碎石骨料74.75％，普通减水剂1.35％，水5.57％，硅酸钠0.68％，硝酸钛0.69％，六偏磷酸钠0.05％，竹纤维0.76％。

第二步，制备高孔隙率钛水泥层2

在透水性混凝土基础层3上浇筑3mm厚的高孔隙率钛水泥层2。高孔隙率钛水泥层2的制备方法为：向硝酸钛溶液中添加焦磷酸钠和分散剂六偏磷酸钠，然后缓慢加入硅酸盐水泥，并快速搅拌，待形成浆液后加入过氧化氢发泡剂和羧甲基纤维素钠稳泡剂，然后再充分搅拌，形成高孔隙率钛水泥层2(大孔、中孔和介孔交错)，然后通过路面压实和养护将透水性混凝土基础层3和高孔隙率钛水泥层2有机结合，形成高强度、高透水性混凝土层。各项原料的质量分数为：硅酸盐水泥29.53％，硝酸钛20.85％，六偏磷酸钠4.20％，焦磷酸钠18.40％，过氧化氢0.58％，羟甲基纤维素钠2.55％，余量为水。

第三步，制备光催化剂喷涂层1

在透水性混凝土基础层3和高孔隙率钛水泥层2养护完成后，以常规减水剂作为分散剂，以掺杂铈离子的锐钛矿型纳米二氧化钛为光催化剂，制备质量浓度为10g/l的二氧化钛分散液，以喷涂的方式将二氧化钛分散剂喷涂于高孔隙率钛水泥层2表面，控制二氧化钛的喷涂量为30g/m²。

实施例4

本实施例的海绵道路的制备过程及配方如下：

第一步，制备混凝土基础层

在室温下，将花岗岩碎石骨料与强度等级为42.5的硅酸盐水泥及玻璃纤维充分搅拌，形成混凝土基础层。

制备混凝土基础层各项原料的质量分数为：硅酸盐水泥18％，花岗岩碎石骨料75％，水6.4％，玻璃纤维0.6％。

第二步，制备高孔隙率钛水泥层

在混凝土基础层上浇筑3mm厚的高孔隙率钛水泥层。该高孔隙率钛水泥层的制备方法同实施例1。

第三步，制备光催化剂喷涂层

在混凝土基础层和高孔隙率钛水泥层养护完成后，以喷涂的方式将市售的二氧化钛分散剂喷涂于高孔隙率钛水泥层表面，控制二氧化钛的喷涂量为50g/m²。

实施例5

同实施例4中第一步和第二步的制备步骤，区别仅在于第三步。

第三步，制备光催化剂喷涂层

在混凝土基础层和高孔隙率钛水泥层养护完成后，以常规减水剂作为分散剂，以掺杂铈离子的锐钛矿型纳米二氧化钛为光催化剂，制备质量浓度为10g/l的二氧化钛分散液，以喷涂的方式将二氧化钛分散剂喷涂于高孔隙率钛水泥层表面，控制二氧化钛的喷涂量为50g/m²。

对比例1

同实施例4中第一步和第三步的制备步骤，区别在于不包含第二步，直接在第一步制备的混凝土基底层上喷涂形成光催化剂喷涂层。

对比例2

同实施例5中第一步和第三步的制备步骤，区别在于不包含第二步，直接在第一步制备的混凝土基底层上喷涂形成光催化剂喷涂层。

对比例3

同实施例1中第一步的制备步骤，区别在于不包含第二步和第三步。

性能检测方法

透水率

将海绵道路样品制成近似100mm×100mm的正方形试件，并将试件放入截面100mm×100mm上下开口的带刻度有机玻璃容器中，然后采用蜡将容器与试件之间的空隙填充密封。向容器内注水至180mm，当水位下降至160mm时，开始计时，记录时间t1内水位下降高度h1(mm)，则透水系数即为t＝h1/t1。

力学性能：结构强度

抗压强度检测参考gbt0553-05中普通水泥混凝土立方体抗压强度试验方法进行。抗压强度计算公式f＝f/a，式中f为混凝土立方体抗压强度(mpa)，f为破坏荷载(n)，a为试件承压面积(mm²)。

催化降解汽车尾气voc、nox效率

在自制的有机玻璃光催化反应器前端和后端设置汽车尾气采集口，分别采用烟气分析仪和voc分析仪对进入有机玻璃光催化反应器和排出的汽车尾气进行测量，通过计算获得海绵路面试件的voc、nox降解效率。

通过测试分析，实施例1-5和对比例1-3的性能测试数据如表1所示。其中对于每组数据都分两次测量，一次是28天养护后，另一次是经过60天的风吹日晒雨淋、模拟鞋底打磨之后。

表1路面试件性能测试数据

通过上述数据可知，通过增加第二步制备的高孔隙率钛水泥层，能够极大地改善光催化剂的附着和保有率，保证整个光催化剂喷涂层的有效活性。此外，对于第一步和第三步的改进，也分别有利于各自性能的更进一步的强化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。